[논문]초저지연 제어를 위한 CPS 아키텍처 설계

강성주; 전재호; 이준희; 하수정; 전인걸

doi:10.14372/iemek.2019.14.5.227

초저지연 제어를 위한 CPS 아키텍처 설계
Design of CPS Architecture for Ultra Low Latency Control 원문보기

대한임베디드공학회논문지 = IEMEK Journal of embedded systems and applications, v.14 no.5, 2019년, pp.227 - 237

강성주 (ETRI) , 전재호 (ETRI) , 이준희 (ETRI) , 하수정 (ETRI) , 전인걸 (ETRI)

Abstract ▼ AI-Helper

Ultra-low latency control is one of the characteristics of 5G cellular network services, which means that the control loop is handled in milliseconds. To achieve this, it is necessary to identify time delay factors that occur in all components related to CPS control loop, including new 5G cellular network elements such as MEC, and to optimize CPS control loop in real time. In this paper, a novel CPS architecture for ultra-low latency control of CPS is designed. We first define the ultra-low latency characteristics of CPS and the CPS concept model, and then propose the design of the control loop performance monitor (CLPM) to manage the timing information of CPS control loop. Finally, a case study of MEC-based implementation of ultra-low latency CPS reviews the feasibility of future applications.

주제어

표/그림 (13)

그림 그림 1. 제어 루프의 시간 특성[19] Fig. 1 Timing Characteristics of Control Loop
그림 그림 2. CPS 개념 모델 Fig. 2 CPS Conceptual Model
표 표 1. CPS 구성 요소에서 발생하는 대기 시간 Table 1. Latency in CPS Components
표 표 2. CPS 사이버 요소의 계층 구조 Table 2. Hierarchy of CPS Cyber Components
표 표 3. CPS 구성 요소로서의 인간 Table 3. Human as a CPS Components
표 표 4. CPS의 외부 요소 Table 4. External Components of CPS
그림 그림 3. CPS 제어 루프의 구성 Fig. 3 Construction of CPS Control Loop
그림 그림 4. 초저지연 CPS 아키텍처 Fig. 4 Ultra Low Latency CPS Architecture
그림 그림 5. CPS 제어 루프 그래프와 인접 행렬 Fig. 5 CPS Control Loop Graph and Adjacency Matrix
그림 그림 6. MEC 기반 스마트팩토리 테스트베드 Fig. 6 MEC-based Smart Factory Testbed
그림 그림 7. 테스트베드 내 3종의 CPS 제어 루프 Fig. 7 Three Types of CPS Control Loops in Test-bed
그림 그림 8. 테스트베드 내 CPS 제어 루프의 그래프 구조 Fig. 8 Graph Structure of CPS Control Loops in Test-bed
표 표 5. 테스트베드 내 CPS 구성 요소 Table 5. CPS Components in Test-bed

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 CPS의 초저지연 제어를 위한 CPS 아키텍처를 설계한다. 이를 위해 초저지연 CPS 특성과 CPS 개념 모델을 정의한다.
본 논문은 5G 이동통신 및 MEC를 통한 초저지연 CPS 제어를 위해 CPS 제어 루프와 관련된 구성 요소에서 발생하는 시간 지연 요소를 측정하고, CPS를 최적화하기 위한 초저지연 CPS 아키텍처를 설계하였다. 이를 위해 초저지연 CPS 특성과 CPS 개념 모델을 정의하였고, CPS 제어 루프의 시간 요소를 관리하기 위한 자료 구조 및 아키텍처를 제안하였으며, MEC 기반 초저지연 CPS 구현 사례 연구를 통해 초저지연 CPS 아키텍처의 적용 가능성을 살펴보았다.
본 연구를 통해 향후 초저지연 CPS를 구현하고, 초저지연 특성을 달성하기 위해서 몇 가지 추가 연구가 필요함을 확인하였다. 가장 중요한 것은 CLPM/CE에 대한 성능 개선으로서 초저지연 제어 여부를 모니터링하기 위한 시간 요소 데이터 수집 주기의 단축, 대기 시간/지연 시간 측정뿐 아니라 지터에 대한 통계적 분석도 가능하도록 기능 확장, 인접 행렬에 대한 빠른 계산을 위한 하드웨어 가속화 기술 활용 등이 고려될 수 있다.
본 장에서는 초저지연 CPS 아키텍처를 실제 초저지연 통신 시스템인 5G 이동통신망 및 MEC 플랫폼에 적용해 CPS 제어 루프의 초저지연 특성이 측정되는 사례를 제시한다. 그림 6은 5G/MEC 기술이 적용된 스마트팩토리 테스트베드를 보여준다.
본 절에서는 CLPM이 CPS 제어 루프 별 시간 요소의 모니터링을 수행하는 방법을 제안한다. CLPM은 CPS 구성 요소에 설치된 CE들로부터 각종 정보를 수집하며, 이를 통해 CPS 구성 요소와 구성 요소 간 시간 정보를 계산해 업데이트한다.
본 절에서는 CPS 개념 모델 내 CPS의 구성 요소에 대해 정의한다. 물리 프로세스는 현실 세계의 시간 흐름에 따라 상태와 공간이 변화하는 모든 자연계 요소 중 초저지연 CPS를 통해 관측 및 제어를 할 수 있는 요소이며, 전자기 (Electromagnetism), 열 (Heat), 구조 (Structural), 음향 (Acoustics), 유체 (Fluid), 화학 (Chemical) 등의 현상이다.
최근 관련 연구[10]에서는 현재 구축된 대부분의 자동화 공장에서 자체 유/무선 네트워크를 사용하고 있으나 이를 통해서는 10 밀리 초 이내의 제어 루프를 처리할 수 없으며, 5G 이동통신망과 기존 무선 네트워크를 최적 조합한 설계를 통해서 이를 해결할 수 있음을 주장하고 있다. 본 테스트베드는 5G 단말과 MEC, 그리고 기존 유/무선 네트워트가 혼재된 환경으로서 향후 5G 기반 스마트팩토리 구축을 위한 기초 자료를 제공할 수 있는 환경이다.
이를 위해 초저지연 CPS 특성과 CPS 개념 모델을 정의한다. 이를 통해 초저지연 CPS 아키텍처를 설계하고, MEC 기반 초저지연 CPS 구현 사례 연구를 통해 향후 적용 가능성을 살펴본다.

제안 방법

첫 번째로 CE의 node_exporter는 모든 CPS 구성 요소의 기본 시스템 정보와 실시간 자원 정보 (CPU, 메모리, I/O, 네트워크)를 포함해 센서와 액추에이터 등 물리 프로세스와 접점을 갖는 하드웨어의 실시간 입출력 정보를 수집한다. 두 번째로 CE의 ebpf_exporter는 리눅스 BPF (Berkeley Packet Filter)를 통해 구성 요소의 데이터 링크 계층 데이터를 추출하며, 블록 I/O 지연 시간 (bio_latency)과 CPU 스케줄러의 큐 지연 (run queue latency) 등의 정보를 수집한다. CLPM에게 있어 블록 I/O의 지연 정보는 데이터 처리를 주로 담당하는 CPS 구성 요소의 저장 시스템 탐색 시간 지연 추이를 파악할 수 있으며, 스케줄러의 큐 지연 정보는 여러 CPS 제어 루프가 중첩되는 CPS 구성 요소에서 CPU 스케줄링 지연의 폭증 (spike) 여부를 판단할 수 있다.
본 논문에서는 이러한 요구사항을 만족시키는 시스템으로 초저지연 CPS를 ‘물리 프로세스로부터 획득한 아날로그 출력 신호를 디지털 데이터로 변환하고, 컴퓨팅 및 네트워킹 요소를 통한 정보, 지식 처리와 분석 과정을 통해 도출된 제어 명령을 다시 물리 프로세스로 되돌리는 과정인 CPS 제어 루프의 구성 요소별 대기 시간의 측정이 가능하고, 이를 통해 측정되는 CPS 제어 루프 별 지연 시간과 지터를 최소화하여, 안정적인 초저지연 제어가 가능한 시스템’으로 정의한다.
본 장에서는 CPS 개념 모델에 따라 형성되는 CPS 제어 루프 별 시간 요소 관리를 통해 초저지연 제어 특성을 제공하는 초저지연 CPS 아키텍처를 설계한다. 초저지연 CPS 아키텍처의 최상위 기능 요구사항은 다수의 CPS 제어 루프가 혼재하는 CPS 운영 환경에서 개별 CPS 제어 루프 단위로 시간 요소를 관찰하고, 최소 지연 시간 요구사항을 만족하지 않으면 규칙 적용을 통해 이를 극복하는 인터페이스를 제공하는 것이다.
또한, 작업자는 태블릿 PC를 통해 모형 자동차의 정보, 주문량 및 생산 현황을 모니터링하고 있으며, 테스트베드에 설치된 CCTV는 작업자의 낙상이나 화재 등 CPS에서 돌발적으로 발생할 수 있는 현상에 대해 감시한다. 본 테스트베드에는 다수의 CPS 제어 루프가 존재하며, 본 사례 연구에서는 총 3종의 초저지연 제어를 필요로 하는 CPS 제어 루프를 도출하였다.
본 논문은 5G 이동통신 및 MEC를 통한 초저지연 CPS 제어를 위해 CPS 제어 루프와 관련된 구성 요소에서 발생하는 시간 지연 요소를 측정하고, CPS를 최적화하기 위한 초저지연 CPS 아키텍처를 설계하였다. 이를 위해 초저지연 CPS 특성과 CPS 개념 모델을 정의하였고, CPS 제어 루프의 시간 요소를 관리하기 위한 자료 구조 및 아키텍처를 제안하였으며, MEC 기반 초저지연 CPS 구현 사례 연구를 통해 초저지연 CPS 아키텍처의 적용 가능성을 살펴보았다.
본 논문에서는 CPS의 초저지연 제어를 위한 CPS 아키텍처를 설계한다. 이를 위해 초저지연 CPS 특성과 CPS 개념 모델을 정의한다. 이를 통해 초저지연 CPS 아키텍처를 설계하고, MEC 기반 초저지연 CPS 구현 사례 연구를 통해 향후 적용 가능성을 살펴본다.

이론/모형

CLPM은 프로메테우스 (Prometheus) 모니터링 시스템 [24]을 기반으로 설계되었다. CLPM은 CPS 구성 요소들에 설치된 CE들에 주기적으로 접속해 시간 요소를 수집한다.

성능/효과

CPS 제어 루프의 그래프와 인접 행렬을 통해 측정된 CPS 제어 루프의 지연 시간을 살펴보면 CL#1의 경우 34 밀리 초, CL#2의 경우 40 밀리 초, CL#3의 경우 2034 밀리 초 (SMS 발송 평균 지연 2초가량 포함)가 측정되었다. 또한, CPS 구성 요소 중 D2/D3 (평균 왕복 지연 시간 8 밀리 초)는 5G/MEC로서 3종의 CPS 제어 루프와 공통적으로 관련 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서 5G 이동통신망 및 MEC의 시스템, 영상처리, 추론 등 일부 공통적으로 관련된 CPS 구성 요소를 중심으로 한 성능 개선은 전체적인 CPS의 지연 시간을 감소시켜 초저지연 제어를 가능하게 할 것으로 예상할 수 있다.

후속연구

그래프 자료 구조와 인접 행렬을 통해 지연 시간 계산을 수행하면 상기제어 루프의 지연 시간은 17 밀리 초가 되지만, H1이 제어 루프에 포함될 경우 71 밀리 초가 된다. 따라서 본 CPS 제어 루프가 초저지연 특성을 요구할 경우 최적화를 위한 재설계가 고려되어야 함을 분석할 수 있다.
5ms), 협업 로봇 제어 (1ms), 조립 로봇/밀링 머신 제어 (4-8ms), 영상 기반 원격 제어 (10-100ms) 등의 사용 사례는 수 밀리 초 이내의 초저지연 피드백 제어 특성을 요구 [6]하며, 이는 MEC를 통해 얻는 순수한 지연 시간 감소 효과로는 달성할 수 없음을 예상할 수 있다. 따라서 이러한 초저지연 제어 요구사항의 만족을 위해서는 5G 단말 및 임베디드 시스템, MEC 플랫폼의 하드웨어, 운영체제 및 시스템 소프트웨어, 그리고 이동통신망을 구성하는 네트워크 장비 등 CPS의 제어 루프와 관련된 모든 구성 요소에서 발생하는 시간 지연 요소를 파악하고, CPS 제어 루프를 실시간으로 최적화하는 설계가 필요하다.
한편, 본 논문에서 5G 이동통신망에 대한 구조, 구성 요소의 대기 시간, 세부 요소 간 지연 시간 등은 망의 폐쇄성과 측정 방법 등의 제약으로 인해 세분화하여 적용하지 못하였으나, 향후 5G 기술이 안정화되고 개방되면 세밀한 시간 요소 측정 및 성능 개선이 가능할 것이다. 또한, 별도 국내 표준화 (TTA/PG609)가 진행 중인 초저지연 CPS 표준을 통해 공장 자동화, 자율 주행, 로봇 수술 등 5G 이동통신 기술이 적용되는 시나리오를 표현하고, 특히 3가지 내부 요소뿐 아니라 6가지 외부 요소와의 연동이 고려된 다양한 CPS 시나리오에 대해 초저지연 CPS 적용 사례를 발굴할 것이다.
한편, 본 논문에서 5G 이동통신망에 대한 구조, 구성 요소의 대기 시간, 세부 요소 간 지연 시간 등은 망의 폐쇄성과 측정 방법 등의 제약으로 인해 세분화하여 적용하지 못하였으나, 향후 5G 기술이 안정화되고 개방되면 세밀한 시간 요소 측정 및 성능 개선이 가능할 것이다. 또한, 별도 국내 표준화 (TTA/PG609)가 진행 중인 초저지연 CPS 표준을 통해 공장 자동화, 자율 주행, 로봇 수술 등 5G 이동통신 기술이 적용되는 시나리오를 표현하고, 특히 3가지 내부 요소뿐 아니라 6가지 외부 요소와의 연동이 고려된 다양한 CPS 시나리오에 대해 초저지연 CPS 적용 사례를 발굴할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초저지연 제어란?	상기 유형 중 URLLC는 공장 자동화, 자율 주행, 로봇 수술 등 5G 이동통신 기술이 적용된 생산설비, 자동차, 의료 기기 등의 단말과 이를 지원하는 클라우드 서비스 플랫폼 간의 빠른 제어 응답 시간을 요구하는 서비스를 다룬다. 여기서 제어 응답 시간이란 제어기가 네트워크를 통해 물리 프로세스의 이벤트나 상태 데이터를 수집하고, 이를 사이버 요소인 소프트웨어를 통해 분석하여 다음에 수행할 작업을 결정한 후 제어 명령을 통해 물리 시스템을 동작시키는 CPS의 제어 루프 실행에 걸리는 시간 [2]이며, 초저지연 제어란 이와 같은 제어 루프가 수 밀리 초 (milliseconds) 수준으로 처리되는 것을 지칭한다 [3].
	5G 이동통신 뉴 라디오 (NR) 표준에서 제시하는 세 가지 유형은?	3GPP 릴리스 15에서 규정한 바와 같이 5G 이동통신 뉴 라디오 (NR) 표준에서는 세 가지 다른 유형의 사용 사례로서 초고신뢰·저지연 통신 (URLLC, Ultra Reliable Low Latency Communication), 대규모 기기간 통신 (mMTC or mIoT, massive Machine Type Communication or massive Internet of Things), 그리고 초광대역 통신 서비스 (eMBB, enhanced Mobile BroadBand)를 제시한다 [1]. 상기 유형 중 URLLC는 공장 자동화, 자율 주행, 로봇 수술 등 5G 이동통신 기술이 적용된 생산설비, 자동차, 의료 기기 등의 단말과 이를 지원하는 클라우드 서비스 플랫폼 간의 빠른 제어 응답 시간을 요구하는 서비스를 다룬다.
	본 논문에서 초저지연 CPS 아키텍처를 설계하기 위해 한 일은?	본 논문은 5G 이동통신 및 MEC를 통한 초저지연 CPS 제어를 위해 CPS 제어 루프와 관련된 구성 요소에서 발생하는 시간 지연 요소를 측정하고, CPS를 최적화하기 위한 초저지연 CPS 아키텍처를 설계하였다. 이를 위해 초저지연 CPS 특성과 CPS 개념 모델을 정의하였고, CPS 제어 루프의 시간 요소를 관리하기 위한 자료 구조 및 아키텍처를 제안하였으며, MEC 기반 초저지연 CPS 구현 사례 연구를 통해 초저지연 CPS 아키텍처의 적용 가능성을 살펴보였다.

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Prometheus, Avaliable on : https://prometheus.io

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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